RAID-массивы от А до Я
Среди всевозможных решений и технологий, связанных с хранением данных в серверной сфере, особое место заслуживает та, что запоминается своей лаконичной аббревиатурой - RAID. Технология Redundant Array of Independent Disks (Избыточный Массив Независимых Дисков) представляет собой метод объединения нескольких физических накопителей в единое логическое устройство. Во многом именно за счет неё современные дисковые подсистемы получили гибкость, позволяющую настроить их под соврешенно разные задачи: как те, что требуют непревзойденной надежности и отказоустойчивости, так и те, где важна повышенная скорость чтения и записи данных - всё это, благодаря RAID, достижимо с одними и теми же привычными для всех HDD и SSD накопителями.
В основе RAID лежит идея распределения данных по нескольким накопителям особым образом. При записи информация разбивается на блоки, которые могут записываться параллельно на разные диски (страйпинг), полностью дублироваться (зеркалирование) или дополняться паритетными блоками для восстановления в случае сбоя. Эти операции выполняются на уровне контроллера или операционной системы и для пользователя остаются прозрачными — система видит единый логический диск. Баланс между скоростью и надёжностью зависит от выбранного уровня RAID: где-то данные читаются и пишутся быстрее за счёт параллельной работы дисков, а где-то акцент сделан на безопасности за счёт хранения копий или паритетов. Именно комбинация этих методов и создаёт разнообразие уровней RAID, используемых в современных системах.
RAID-контроллеры - сердце технологии
В основе любого массива лежит RAID-контроллер — отдельное устройство или программная реализация, позволяющая объединять диски и управлять данными.
Аппаратные (Hardware) RAID-контроллеры представляют собой отдельные платы с собственным процессором и кэш-памятью, что разгружает системный CPU и значительно ускоряет обработку операций. Существует огромное количество моделей аппаратных контроллеров, отличающихся своими характеристиками: от простых вариантов с возможностью подключения нескольких SATA-накопителей, до полноценных корпоративных решений, обеспечивающих поддержку различных интерфейсов (SATA, SAS, NVMe), высокую скорость передачи данных по SAS-шине, сложные уровни RAID-массивов (5+0, 6+0), а также множество портов и линий для подключения. Основным производителем чипов для RAID-контроллеров являются Broadcom - именно их решения зачастую применяются в различных устройствах под брендами HPE, Dell, xFusion, Lenovo и другими. Большинство аппаратных RAID-контроллеров управляются как отдельное устройство через BIOS/UEFI сервера, но в некоторых случаях, например в линейке серверов Dell PowerEdge, их функционал также реализован и в системе удалённого управления сервером (IPMI).
Программные (Software) RAID реализуются с помощью драйверов ОС или встроенных в материнские платы контроллеров и хорошо подходят для создания простых массивов в бюджетных конфигурациях. Различные операционные системы, такие как Windows и Linux, позволяют создавать RAID-массивы из любых доступных устройству накопителей, даже если они подключены при помощи HBA (Host Bus Adapter). В свою очередь более специализированные программные решения, встроенные в чипсет материнской платы, встречаются во многих серверах, например PERC S140 в 14 поколении DELL PowerEdge или Smart Array S100i SR в 10 поколении HPE ProLiant. Такие программные контроллеры позволяют создавать RAID-массивы ещё до загрузки ОС и устанавливать систему на сам массив, но зачастую ограничены поддерживаемыми интерфейсами накопителей - в большинстве моделей только SATA, в более современных - SATA и NVME.
Уровни RAID-массивов
Виды RAID-массивов, фундаментально отличающиеся по принципу своей работы, называются уровнями. Некоторые из них (такие как RAID 2, 3 и 4) уже отошли на второй план и почти не используются в системах из-за своей непрактичности, а другие, наоборот, закрепились в качестве современного стандарта: RAID 0, 1, 5 и 6.
RAID 0 (Striping)
RAID 0 объединяет несколько дисков в единый логический объём, разделяя данные на полосы (stripes) и записывая их поочерёдно на разные диски. Это даёт линейный прирост пропускной способности и улучшение параллелизма при одновременных операциях чтения/записи. Однако в RAID-0 отсутствует любая форма избыточности: отказ любого диска приводит к потере данных всего массива. Эффективная ёмкость равна сумме ёмкостей всех дисков.
Типичные сценарии использования RAID-0 - кэширование данных, временное хранение рабочих данных и тестовые системы, где не критична отказоустойчивость массива.
RAID 1 (Mirroring)
RAID 1 создаёт полную зеркальную копию данных на втором (или нескольких) дисках. При записи контроллер дублирует блоки на все зеркала; при чтении часто возможен баланс чтения между дисками (read-splitting), что даёт небольшой прирост производительности чтения. Достоинство RAID 1 — простая, надёжная и предсказуемая модель восстановления: при отказе одного диска система продолжает работать с зеркала, а восстановление состоит в перестроении зеркала на новый диск. Эффективная ёмкость RAID 1 составляет ёмкость наименьшего диска (например, два диска по 2 ТБ дают 2 ТБ полезного объёма).
RAID 1 часто применяется для кейсов с высокими требованиями к доступности небольших наборов данных — например, системные диски, базы конфигурации. Для крупномасштабных систем зеркалирование одного-в-один дорого, поэтому для больших хранилищ предпочтительнее другие решения.
RAID 5 (Striping with Distributed Parity)
RAID 5 использует чередование данных и паритета по всем дискам массива, давая экономичную избыточность: ёмкость массива равна сумме всех дисков минус один (формула: (N − 1) × S, где N — число дисков, S — ёмкость на диск, при условии одинаковых дисков). RAID 5 позволяет выдержать отказ одного диска без потери данных. RAID 5 даёт хорошее соотношение надёжности и стоимости, но также влияет и на скорость: чтения могут распределяться по всем дискам, но записи страдают от так называемого write-penalty: небольшая запись требует сразу четыре операции для выполнения.
RAID 5 хорош для больших архивов и хранилищ данных, в особенности если основная работа с информацией - чтение.
RAID 6 (Striping with Dual Parity)
RAID-6 расширяет идею RAID-5, добавляя вторую независимую полосу паритета. Эффективная ёмкость RAID-6 равна сумме дисков минус два (формула (N − 2) × S), а для создания массива необходимо как минимум четыре накопителя. RAID-6 выдерживает одновременный отказ двух дисков в массиве, что делает его предпочтительным выбором для массивов с большим количеством дисков, где вероятность проблем во время долгого восстановления выше. Запись в RAID-6 требует ещё большего числа I/O-операций и зачастую производится медленнее чем в RAID 5, в то время как скорость чтения аналогична.
Сценарии использования RAID 6 аналогичны RAID 5, но имеют больший уклон в надежность и отказоустойчивость для крупных массивов.
Комбинированные (Nested) RAID-массивы
Комбинированные RAID-массивы объединяют в себя несколько простых массивов. Эти схемы дают более гибкую модель отказоустойчивости, ёмкости и производительности, но и усложняют администрирование и расчёт восстановления. Самыми распространенными комбинированными массивами являются RAID 10, RAID 50 и RAID 60.
RAID 10 (RAID 1+0)
RAID 10 строится как RAID 0 поверх набора из двух и более массивов RAID 1, для создания требует как минимум четыре накопителя. Такой вариант уступает в скорости простому массиву RAID 0, но преуспевает в надежности: можно потерять по одному диску в нескольких зеркалах без потери данных, пока не будут потеряны оба диска конкретной пары. Также встречается расширение, когда создаётся несколько RAID10 массивов, и уже они объединяются в общий RAID 0 (иногда называют RAID 1+0+0 или многослойный RAID10), что позволяет масштабировать производительность и ёмкость горизонтально.
RAID 10 часто предпочитается для баз данных и виртуализации, где важны низкие задержки записи и быстрая реакция на отказы.
RAID 50 (RAID 5+0) и RAID 60 (RAID 6+0)
RAID 50 и RAID 60, по принципу RAID 10, также объединяют несколько простых массивов - уровня RAID 5 или RAID 6 соответственно. Также как и простые массивы RAID 5 и 6, такие схемы сохраняют в себе надежность за счет паритета, но и несут недостаток в виде сниженной скорости записи. В RAID 50 в каждой внутренней группе возможен отказ одного диска без потери данных, а в RAID 60 - до двух, что делает его более надежным вариантом. Обе комбинации встречаются достаточно редко, так как по многим параметрам уступают более универсальному RAID 10 и требуют более сложного подхода к организации, но, тем не менее, находят своё применение в крупных системах с большим количеством накопителей и крупными объёмами данных.
Собираем RAID-массив
Рассмотрим создание RAID-массива на примере сервера Dell PowerEdge R730XD с аппаратным контроллером PERC H330. Как говорилось выше, доступ к большинству RAID-контроллеров (как аппаратных, так и программных) обеспечивается через BIOS системы. Так как большинство чипов контроллеров производятся компанией Broadcom (Ранее Avago, LSI), процесс создания массивов и настройки самого контроллера у разных моделей очень похожи, даже если они производятся под разными брендами.
В главном меню биоса переходим в Device Settings (настройки устройств) и выбираем необходимый RAID-контроллер (В нашем случае H330).
Далее необходимо перейти в раздел Configuration Management и выбрать действие Create Virtual Disk - создать виртуальный диск (RAID-массив).
В открывшемся окне доступна предварительная настройка RAID-массива: выбор уровня RAID и используемых накопителей, название и ёмкость массива, использование кэша RAID-контроллера. Перед созданием виртуального диска необходимо выбрать накопители, которые будут в него входить, за это отвечает функция Select Physical Disks.
После выбора физических дисков достаточно нажать Create Virtual Disk и подтвердить создание массива.
Затем созданный RAID-массив будет готов к использованию. В последующем управлять массивами можно в разделе Virtual Disk Management.
InRack советует внимательно относиться к подбору необходимых накопителей и RAID-контроллеров для создания оптимального хранилища в вашей системе - с этим вам всегда помогут наши специалисты.